高速切削加工的刀具技術(shù)研究

高文優(yōu)，韓芙蓉

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450066）

0 引言

高速切削加工是現(xiàn)代機(jī)械加工的基本方向，是滿足加工高效率、高精度以及柔性化機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的必然趨勢，能有效避免加工零件和切削刀具在加工中的溫度升高頻率較快。為了充分發(fā)揮高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，要選取適當(dāng)?shù)牡毒咛幚矸桨福瑥亩鴾p少切削力，有效規(guī)避加工中熱變形以及振動現(xiàn)象，可以在一定程度上提升加工操作的精密度。

1 高速切削加工原理

高溫環(huán)境會對刀具的硬度造成負(fù)面作用，嚴(yán)重制約整個(gè)切削加工的進(jìn)程。并且，傳統(tǒng)的刀具切削處理操作無論是刀具定位精度還是重復(fù)定位精度都不符合實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)，加之刀具的動態(tài)性能、靜態(tài)剛度有限，這就使得傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)不能符合高速切削加工的需求。基于此，要結(jié)合不同的切削類型或者是工件材料，確保能制定并且匹配切削加工速度區(qū)域[1]。

在上世紀(jì)三十年代，德國著名物理學(xué)家總結(jié)了切削加工“速度-溫度”曲線（見圖1），并且結(jié)合實(shí)際應(yīng)用要求首次提出高速切削加工工藝，在常規(guī)化的切削速度應(yīng)用范圍內(nèi)，溫度會隨著切削速度增大逐漸升高，超出切削溫度會造成切削力超出刀具承受能力的情況，硬度降低甚至?xí)霈F(xiàn)劇烈磨損現(xiàn)象[2]。然而，匹配高速切削加工機(jī)制，能在將速度提高到一定范圍內(nèi)，增加切削速度不會造成切削溫度的升高甚至?xí)霈F(xiàn)降低，低于刀具能承受的溫度參數(shù)，大幅度減少切削時(shí)長，維持設(shè)備應(yīng)用效率的同時(shí)，滿足節(jié)能降耗的基本需求。

圖1 切削加工“速度-溫度”曲線

2 高速切削加工技術(shù)分析

為了能滿足高速切削加工的應(yīng)用要求，就要選取適當(dāng)?shù)那邢鞯毒撸_保能提升其承受的溫度范圍，有效縮小不能切削區(qū)域的范圍，擴(kuò)大應(yīng)用時(shí)效性，也能為機(jī)床應(yīng)用效率的優(yōu)化提供保障。值得一提的是，在金屬加工切削速度提升的時(shí)代背景下，金屬切削形成過程與道具物理現(xiàn)象、化學(xué)現(xiàn)象息息相關(guān)，要整合高速切削加工模式，就要匹配更加合理的刀具選取機(jī)制，從而發(fā)揮刀具較好的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能。

2.1 刀具材料技術(shù)

（1）涂層硬質(zhì)合金技術(shù)。之所以選取硬質(zhì)合金材料，不僅僅是因?yàn)椴牧献陨砭哂杏捕雀摺⒛湍バ阅芎玫奶攸c(diǎn)，也是因?yàn)槠渚邆漭^好的抗沖擊性能，相較于普通速度的金屬切削刀具，硬質(zhì)合金材料的應(yīng)用能提升熱穩(wěn)定性，維持對應(yīng)切削工藝流程的規(guī)范性。

第一，將硬質(zhì)合金作為整個(gè)刀具材料技術(shù)處理的基礎(chǔ)，覆蓋一層或者是多層材料形成涂層結(jié)構(gòu)，保證耐熱性、硬度等基礎(chǔ)參數(shù)都能滿足標(biāo)準(zhǔn)，并且能盡量擴(kuò)充切削范圍，延長相關(guān)元件的應(yīng)用壽命，最重要的是，涂層硬質(zhì)合金技術(shù)處理后的刀具能適用于高速切削環(huán)境。比如，目前較為常見的就是碳鎢為基體的涂層硬質(zhì)合金。

第二，鈦的化合物和鋁的化合物等涂層硬質(zhì)合金材料也具有一定的應(yīng)用價(jià)值，需要涂層到2層-3層，從內(nèi)向外形成較好的防御處理，具備抗摩擦性能、防擴(kuò)散性能以及潤滑性能等，從而真正意義上延長刀具的使用壽命，更好地提升刀具的實(shí)際切削能力。

（2）金屬陶瓷材料。主要是將Ticn作為基體，能匹配對應(yīng)的技術(shù)處理方案，形成較為優(yōu)質(zhì)的硬質(zhì)合金材料。在應(yīng)用金屬陶瓷材料制備刀具后，刀具的整體承受效果更好，相較于碳化鎢硬質(zhì)合金，金屬陶瓷材料的耐高溫性以及耐磨性優(yōu)勢較為突出，這就大大延長了刀具的實(shí)際使用壽命[3]。

第一，金屬陶瓷材料制備的刀具能提升加工的精密度和整潔度，被加工材料的表面較為光潔，優(yōu)化了產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，在充分發(fā)揮刀具應(yīng)用優(yōu)勢的用時(shí)，也能順利完成高速切削處理工序，這對于提升綜合效益具有重要的意義，因此，具有一定的推廣價(jià)值。

第二，金屬陶瓷材料制備的刀具熱穩(wěn)定性較好，尤其是化學(xué)穩(wěn)定性，在高溫環(huán)境中，其自身的抗氧化效果和抗擴(kuò)散性能都十分突出，實(shí)際切削操作結(jié)束后基本不會產(chǎn)生的積屑瘤或者是切削粘結(jié)刀具等問題，這就提升了操作模式的便捷性和質(zhì)量水平，為維持整體材料應(yīng)用效果提供了較好的保障[4]。

第三，在應(yīng)用金屬陶瓷材料時(shí)也要關(guān)注材料自身的特性，尤其是抗沖擊性和韌性，相較于碳化鎢等硬質(zhì)合金，這方面還是存在一定的弱勢。因此，在應(yīng)用金屬陶瓷材料時(shí)，要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用需求匹配相關(guān)工作，確保能減少技術(shù)局限性造成的不良影響。值得一提的是，目前在碳鋼、鑄鐵等切削深度不大或者是進(jìn)給量適中的高速精加工處理模式中會應(yīng)用金屬陶瓷材料制作的刀具[5]。

除此之外，相關(guān)部門還在技術(shù)研究不斷升級的基礎(chǔ)上對金屬陶瓷材料予以多元處理，純鉆為粘結(jié)劑的金屬陶瓷刀具已經(jīng)開始投入研發(fā)，能應(yīng)用在加工高速鋼項(xiàng)目中，在材料技術(shù)全面升級的時(shí)代背景下，金屬陶瓷材料刀具研發(fā)項(xiàng)目也將向著更加多元的方向發(fā)展。

（3）聚晶立方氮化硼。在刀具材料研究工作中，立方氮化硼屬于新興材料研究領(lǐng)域，與聚晶金剛石較為相似，立方氮化硼材料也是在高溫高壓環(huán)境下完成人工合成的材料，晶體結(jié)構(gòu)以及性能優(yōu)勢較為突出，并且，硬度高、導(dǎo)熱性能好、熱膨脹低等特性也為其應(yīng)用范圍提供了保障。與此同時(shí)，立方氮化硼材料的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性較好，尤其是在高溫環(huán)境中，基本不會出現(xiàn)任何的化學(xué)反應(yīng)，這方面的優(yōu)勢要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金剛石結(jié)構(gòu)，所以，若是要進(jìn)行黑色金屬加工處理，多數(shù)情況下都會采取立方氮化硼[7]。

而在材料技術(shù)發(fā)展進(jìn)程全面增速的時(shí)代背景下，在原有立方氮化硼基礎(chǔ)上研發(fā)聚晶立方氮化硼，則能更好地維持常規(guī)化切削速度，并且更有利于鑄鐵加工、耐熱合金以及黑色金屬零部件加工處理等工作。基于此，聚晶立方氮化硼被廣泛應(yīng)用在高速加工灰鑄鐵工件工作中，維持較好的切削效果，也能提升切削操作的安全性。例如，硬度參數(shù)為60HRC到65HRC之間的齒輪元件、軸承元件等，對精密度要求較高，并且要求表面質(zhì)量整潔，因此，都會選取聚晶立方氮化硼材料的刀具完成切削處理工作。

2.2 刀具系統(tǒng)接口技術(shù)

（1）刀具-機(jī)床接口技術(shù)。主要指的是兩面約束過定位夾持系統(tǒng)，不僅具備接觸剛度優(yōu)勢，且重復(fù)定位精度較好，系統(tǒng)應(yīng)用的是短錐柄和7:24長錐柄，能在提高刀柄和主軸連接效果的同時(shí)，維持切削速度的優(yōu)化，滿足高速加工的基本需求。另外，隨著技術(shù)的發(fā)展和演進(jìn)，錐度為1:10的短錐柄刀柄結(jié)構(gòu)也逐漸發(fā)展起來，目前較為常見的是HSK、NT、BIG-PLUS等。例如，HSK的刀柄錐柄位置就是1:10中空短錐結(jié)構(gòu)，在刀柄和主軸維持連接狀態(tài)時(shí)，依托短錐刀柄就能在主軸錐孔位置確定中心，在拉緊力的作用下借助中空刀柄的彈性變形補(bǔ)償端面0.1左右的間隙，實(shí)現(xiàn)約束性雙面定位處理。

（2）刀具-刀柄接口技術(shù)。對于高速切削工藝而言，刀柄對刀具的夾持效果具有重要的意義。若是刀柄夾持刀具的穩(wěn)定性不足，不僅會降低加工精度，也會造成刀具或者是工件的損壞，引發(fā)安全事故。目前，更加適宜應(yīng)用在高速切削加工處理工藝中的刀具夾頭分為以下幾類：①熱縮夾頭。利用熱脹冷縮維持刀具的可靠性夾緊效果。②高精度彈簧夾頭，為聚晶金剛石，這種金剛石結(jié)構(gòu)本身是精度較高的粘結(jié)劑，相較于天然的金剛石結(jié)構(gòu)，聚晶金剛石本身并不存在明確的晶粒方向性，這就能提升其硬度的均勻效果[6]。并且，聚晶金剛石具備較低的熱膨脹系數(shù)，所以，材料的導(dǎo)熱性能優(yōu)勢較為突出。另外，聚晶金剛石的耐磨性能較好，將其應(yīng)用在切削有色金屬、非金屬或者是合金材料時(shí)具有較為突出的優(yōu)勢。③高精度液壓夾頭，主要是BIG-PLUS刀具，利用的是兩點(diǎn)夾持一體型結(jié)構(gòu)，加持力和夾持精度較好。④高精度靜壓膨脹式夾頭，利用擰緊加壓螺栓的方式提升油腔內(nèi)油壓的方式更好地維持其應(yīng)用效果。

3 高速切削加工的刀具技術(shù)發(fā)展趨勢

在材料技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，刀具發(fā)展進(jìn)程也在加快，不同專用性能刀具“翻新”速度較快，材料、涂層等多方面都呈現(xiàn)出多元趨勢，并且刀具結(jié)構(gòu)也在升級，向著更加合理且模塊化的方向轉(zhuǎn)型[8]。高速切削加工的刀具技術(shù)發(fā)展趨勢見表1。

表1 高速切削加工的刀具技術(shù)發(fā)展趨勢

4 結(jié)語

總而言之，在制造技術(shù)逐漸全球化發(fā)展的同時(shí)，制造業(yè)要提升行業(yè)競爭力，就要積極推進(jìn)共性基礎(chǔ)技術(shù)研究進(jìn)程，全面整合技術(shù)方案，結(jié)合機(jī)械加工標(biāo)準(zhǔn)合理整合高速切削技術(shù)應(yīng)用方案，進(jìn)一步優(yōu)化刀具材料、結(jié)構(gòu)、涂層等方面的管控，從而優(yōu)化切削加工的整體質(zhì)量水平，為加工工藝系統(tǒng)效果升級提供支持，促進(jìn)我國機(jī)械制造業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。